研究人員利用納米粒子發(fā)出的光來控制生物過程

“光遺傳學(xué)”的生物學(xué)技術(shù)使用光來控制已被基因改造成對(duì)光敏感的生物組織中的細(xì)胞。但是，由于光可以一次激活多個(gè)基因，因此對(duì)此類過程的控制有限，通常需要深入穿透的光才能到達(dá)生物組織中的基因。

現(xiàn)在，美國國立大學(xué)的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種方法，可以通過使用專門設(shè)計(jì)的納米顆粒和納米團(tuán)簇(稱為“超級(jí)球”)來更好地控制這一過程。當(dāng)由不同波長的激光激發(fā)時(shí)，這些納米粒子和超級(jí)球會(huì)發(fā)出不同顏色的光。這些不同顏色的光可用于觸發(fā)特定的生物過程。

為了激活光敏基因，由國大生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院張勇教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組使用納米粒子和超級(jí)球?qū)⒔t外(NIR)光“上轉(zhuǎn)換”為更高的可見光能量。由于近紅外光可以穿透，因此該方法可用于許多深層組織治療。

納米粒子可控制心率

張教授和他的團(tuán)隊(duì)發(fā)明了新的納米粒子，它們根據(jù)用于激發(fā)它們的近紅外輻射的波長發(fā)出紅色或綠色的光。納米粒子在被波長為980納米的激光束激發(fā)時(shí)發(fā)出紅色光，而當(dāng)激光束的波長減小至808納米時(shí)則發(fā)出綠色光。

除了是兩種不同的顏色外，從這些納米粒子發(fā)出的光還可用于雙向激活。這與當(dāng)前使用納米粒子的光遺傳療法不同，后者只能以單向方式激活。張教授解釋說：“因此，我們可以以不同的方向或以編程方式錯(cuò)綜復(fù)雜地操縱生物過程或過程中的某些步驟。”

研究人員表明，可以使用這些顆粒來控制修飾的心肌細(xì)胞的跳動(dòng)速率。通過在同一單元格中光學(xué)控制兩個(gè)稱為Jaws和VChR1的光激活通道，它們能夠改變心跳的速度。紅燈減慢心率，綠燈加快心率。

這些納米顆粒由富含的內(nèi)核組成，內(nèi)核被和摻釹材料層包圍。“為了產(chǎn)生這種正交熒光發(fā)射，我們通常需要將多個(gè)鑭系元素離子摻雜到納米晶體中。在我們的研究中，這僅通過使用一個(gè)離子即可實(shí)現(xiàn)。” 研究人員的這項(xiàng)創(chuàng)新確保了正交發(fā)射都來自離子。

關(guān)于這一重大突破和應(yīng)用創(chuàng)新，張教授說：“本次演示為朝著可編程多方向途徑控制邁出了重要一步，并且為在許多其他協(xié)同相互作用的生物過程(如診斷和治療)中的應(yīng)用提供了有趣的機(jī)會(huì)。 ”

這項(xiàng)研究的結(jié)果發(fā)表在2019年9月27日的《自然通訊》上，并于2019年10月4日作為研究要點(diǎn)進(jìn)行了報(bào)道。

超級(jí)球激活抗癌藥

除了新穎的納米粒子，張教授及其團(tuán)隊(duì)最近還合成了兩種不同納米粒子的簇，他們將它們稱為“超級(jí)球”。以與新型納米粒子相似的方式，當(dāng)用不同波長的近紅外輻射激發(fā)時(shí)，這些超級(jí)球會(huì)發(fā)出不同顏色的光。當(dāng)被波長為980納米的激光束激發(fā)時(shí)，它們會(huì)發(fā)出紅光，而當(dāng)波長減小到808納米時(shí)，它們會(huì)發(fā)出UV /藍(lán)光。

然后將這些新穎的超級(jí)球用于增強(qiáng)光動(dòng)力性癌癥治療程序。

當(dāng)超級(jí)球受到強(qiáng)烈激發(fā)而發(fā)出紅光時(shí)，它們便能夠進(jìn)入細(xì)胞。接下來，他們興奮地發(fā)出紫外線/藍(lán)光，以增加細(xì)胞對(duì)活性氧的敏感性。最后，他們興奮地再次發(fā)出紅光以激活光敏藥物以產(chǎn)生活性氧。這些活性氧然后可以誘導(dǎo)殺死腫瘤細(xì)胞。

隨著這項(xiàng)研究的突破，國大的科學(xué)家們開發(fā)了一種簡單，用戶友好的方法來合成這些超級(jí)球。超級(jí)球的形狀，大小，甚至激發(fā)/發(fā)射波長都可以根據(jù)所需應(yīng)用進(jìn)行修改。

這項(xiàng)研究的結(jié)果于2019年10月8日發(fā)表在《自然通訊》上。

下一步

這些納米顆粒和超級(jí)球的應(yīng)用很多。張教授說：“這將吸引不同領(lǐng)域的生物學(xué)家和臨床醫(yī)生，特別是從事光療工作的生物學(xué)家和臨床醫(yī)生，包括光動(dòng)力療法，光熱療法，光控藥物/基因傳遞和光遺傳學(xué)。”

對(duì)于接下來的研究階段，張教授解釋說：“最終，該項(xiàng)目的目標(biāo)是將無線電子技術(shù)與納米粒子一起用于增強(qiáng)的光動(dòng)力療法，從而可以治療深部組織的大型腫瘤。” 因此，研究人員將繼續(xù)開發(fā)新穎的材料并在這一領(lǐng)域發(fā)明創(chuàng)新的應(yīng)用。